Лекции по "Геоэкология"

 

ВВЕДЕНИЕ	4
ЛЕКЦИЯ 1. ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ	5
1.1. Трансформация  солнечной энергии в геосферах	5
1.2. Экологические функции  литосферы	9
1.3. Роль атмосферы в  динамической системе Земли	14
1.4. Гидросфера и водные  экосистемы	20
ЛЕКЦИЯ 2. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ	29
2.1. Экосистемы материков	29
2.2. Экосистемы океанов	35
2.3. Экосистемы  речных бассейнов	40
ЛЕКЦИЯ 3. ЛОКАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОСФЕР	43
3.1. Изменение литосферы урбанизированных  территорий	43
3.2. Гидросфера городов	48
3.3. Загрязнения атмосферы городов	57
3.4. Разрушение почв сельскохозяйственных  угодий	65
ЛЕКЦИЯ 4. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ   ЛИТОСФЕРЫ	74
4.1. Понятие об геоэкологических функциях литосферы	74
4.2. Основные причины и следствия нарушения геоэкологических функций литосферы	82
4.3. Геоэкологические  проблемы биосферы	83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	95
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ	98
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЕТУ........................................................	99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Дисциплина «Геоэкология» является частью математического и естественнонаучного цикла дисциплин подготовки бакалавров по направлению 110100.62 «Агрохимия и агропочвоведение». Ее изучение направлено на формирование представлений о неразрывном единстве всех компонентов географической среды, знаний об образующих ее структуру геосистемах.

Данный курс базируется на анализе глобальных геоэкологических проблем человечества, особенностях их регионального и локального проявления. В нем рассматриваются теоретические и методологические основы геоэкологии, различные подходы к изучению изменений географической среды, происходящих в ходе естественных тенденций ее развития и антропогенного воздействия, геоэкологические аспекты функционирования природно-техногенных геосистем, возможные пути решения геоэкологических проблем и т. д.

Объект изучения геоэкологии – географическая среда как часть географической оболочки, преобразованная человеком.

Геоэкология является теоретической и методологической основой рационального природопользования, она призвана решать проблемы, связанные с созданием и сохранением оптимальной среды жизнедеятельности человеческого общества при минимальных изменениях окружающей среды.

Цель курса – формирование естественнонаучного мировоззрения. Бакалавр должен знать основные законы геоэкологии, уметь проводить оценки состояния современных экосистем.

Задачи курса:

1. развитие у студентов представлений о геосферах земли и их экологических функциях;
2. изучение важнейших природных и природно-техногенных экосистем Земли;
3. характеристика локальных антропогенных воздействий на геосферы и вызванных ими кризисных явлений в экосистемах;
4. изучение сложившихся антропогенных экосистем.

 

ЛЕКЦИЯ 1. ГЕОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

 

1.1. Трансформация солнечной  энергии в геосферах

 

По современным представлениям планеты Солнечной системы образовались из вещества гигантского газового или газопылевого облака попавшего в гравитационное поле Солнца (или выброшенного им). Около 5 млрд. лет назад сгущения газопылевого облака послужили центрами образования планет «путем вычерпывания роя частиц». В процессе превращения метеоритного вещества в планету происходило уплотнение, разогрев пород за счет радиоактивного распада, плавление магмы, формирование ядра и силикатной коры. В метеоритном веществе отношение FeO2 к MgO равно 1,5, а в базальтах земной коры и в основных изверженных породах Луны оно достигает 6 и показывает, что эти небесные светила одного возраста и им по 4,7 млрд. лет.

В результате дифференциации магмы тяжелые фракции наращивают металлическое ядро, а наиболее легкие поднимаются к поверхности. Полагают, что этот процесс близок к завершению, т.к. ядерное вещество Земли уже сконцентрировалось в ее ядре, а вулканизм по сравнению с предшествующими геологическими эпохами заметно ослаб. Тем не менее и в наше время из недр Земли на ее поверхность выбрасывается более 6 млрд т эффузионного вещества в год, а за время существования планеты эта величина составляет массу, близкую к массе земной коры. В результате нагрева и последующего остывания вещества планеты в поле силы тяжести сформировались основные оболочки Земли: внутреннее твердое ядро, внешнее жидкое ядро, мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера, которые отличаются химическим составом и качественным состоянием вещества.

Современная оболочка Земли имеет несколько источников вещества: первичное газопылевое облако, поступившее из глубин Земли, попавшее на поверхность Земли из космоса в составе астероидов, комет и метеоритов.

 На протяжении геологической истории значение каждого из источников элементов менялось. Процессы трансформации вещества на поверхности Земли привели к образованию литосферы, атмосферы, гидросферы, а в конечном итоге биосферы.

Преобразование поверхности Земли происходит в основном под действием солнечной энергии. По В.Г. Горшкову (1995), солнечная постоянная (Iс) – это количество лучистой энергии Солнца, поступающей в единицу времени на единицу площади поверхности, перпендикулярной к солнечным лучам и находящейся вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца.

Iс = 1367 Вт/м2.

Наблюдаемые изменения солнечной постоянной не превышают 0,1%.

Солнечная энергия, падающая на сечение Земли площадью prз2, распределяется затем по всей поверхности Земли площадью 4prз2 (т. е. по вчетверо большей площади) за счет вращения Земли и энергетических потоков в атмосфере и океане. Следовательно, средний поток солнечного излучения на единицу площади полной поверхности планеты (I) равен:

I = 0,25 х 1367 Вт/м2 » 342 Вт/м2.

Взаимодействуя с веществом атмосферы, гидросферы, литосферы Земли солнечная радиация может поглощаться, отражаться, рассеиваться или проходить практически без изменений.

Часть солнечной энергии отражается от поверхности планет, в результате чего планеты становятся видимыми на звездном небе. Эта отраженная часть солнечной энергии называется планетарным альбедо (А). Планетарное альбедо Земли составляет 30% от I На 83% эта величина определяется отражением атмосферы и лишь на 17% -поверхностью Земли.

В целом атмосфера достаточно прозрачна для спектра солнечного излучения, особенно в области видимого света и ближних областей ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Основную роль в поглощении лучистой энергии Солнца в атмосфере играют кислород и озон, поглощающие жесткое ультрафиолетовое излучение, а также водяной пар, диоксид углерода, метан и другие газы, имеющие полосы поглощения в инфракрасной области. В целом атмосферой поглощается около 24% от среднего потока солнечной энергии, приходящейся на единицу полной поверхности планеты за пределами атмосферы (I).

Проходя через атмосферу, солнечная радиация частично поглощается (около 24% от I), отражается (около 25% от I), рассеивается (рассеянная радиация » 25% от I) или проходит практически без изменений (прямая радиация » 26% от I). Прямая и рассеянная солнечная радиация, направленная к поверхности Земли, обычно носит название суммарной радиации (Is). Суммарная радиация (Is), частично отражается (Iотр.), а частично поглощается земной поверхностью.

На рис. 1 (Глазачев С.Н., Косоножкин В.И., Каргаполов Н.В., 2006) показан один из вариантов оценки дальнейшей трансформации поступающей на Землю солнечной энергии, равной среднему потоку солнечного излучения, приходящегося на единицу площади поверхности планеты (I » 342 Дж/(сек х м2), принятому за 100%.

 Стрелки на рисунке обозначают  потоки свободной энергии, генерируемые  солнечным излучением, а также  потоки тепловой энергии (в правой  части рисунка). Числа в овалах  – доля потока энергии от I, принятого за 100%. Числа в прямоугольниках - абсолютное значение потока в Вт/м2. I – средний поток солнечной энергии, приходящийся на единицу полной поверхности планеты за пределами атмосферы; A - планетарное альбедо, Qe – тепловое излучение планеты в космос; Q0 - тепловое излучение на поверхности планеты.

Соотношение потоков отраженной и падающей радиации зависит от величины отражающей способности поверхности (альбедо).

(Iотр/Is) = а.

Значения альбедо для различных поверхностей суши широко варьируют (табл. 1.) в зависимости от состава растительности, почв, наличия снежного покрова и др.

Таблица 1

Средние значения альбедо (а) для некоторых поверхностей суши

 

Поверхность	а, %	Поверхность	а, %
Полупустыни Чернозем сухой Чернозем влажный Песок желтый сухой Рожь и пшеница	30 14 8   35 10- 25	Устойчивый снежный покров Неустойчивый снежный покров Тундра Древесная растительность Степи	70 - 80   45   18   10 – 18 18

 

Таким образом, более 80% всего отраженного Землей солнечного излучения приходится на атмосферу. Альбедо (отражающая способность) атмосферы определяется главным образом наличием облаков и частиц пыли. Выброс огромного количества пылеватых частиц в атмосферу, который происходит при извержении вулканов, способен значительно снизить величину суммарной радиации, достигающей земной поверхности, и привести к глобальному понижению температуры. Расчеты выдающегося российского эколога Н.Н. Моисеева (1990) показали, что катастрофическое глобальное похолодание возможно и при массовом использовании ядерного оружия, которое помимо прочих негативных последствий приведет к поступлению гигантского количества пыли в атмосферу. Это гипотетический феномен получил название «ядерной зимы».

Средний поглощенный Землей (вместе с атмосферой) поток солнечного излучения на единицу площади земной поверхности составляет:

Iе = I х (1 – А) = 239 Вт/м2.

Поток коротковолновой, солнечной энергии, поглощаемой Землей (Iе), приводит к разогреву земной поверхности, что вызывает тепловое излучение Земли обратно в космическое пространство (Qe).

Поток излучения Qe, который измеряется за пределами атмосферы со спутников Земли соответствует температуре te = –18 оС (табл. 3). Приземная температура t = + 15 0С больше температуры излучения, покидающего верхние слои атмосферы. Поэтому излучение земной поверхности Q0 больше Qe. Это связано с тем, что парниковые газы атмосферы захватывают значительную часть излучения земной поверхности и направляют его обратно.

Абсолютная величина парникового эффекта составляет » 160 Вт/м2. Большая часть определяется парами воды, а оставшаяся часть связана с газами СО2, СН4, N2О и О3. Так атмосфера, создающая парниковый эффект, представляет собой многослойное образование, прозрачное для солнечного излучения и малопрозрачное для теплового.

 Без атмосферы при нулевом  альбедо (колонка А = р = 0 в табл. 3) температура планеты (tR – орбитальная температура планет) определяется солнечной постоянной. Для Земли tR = + 5 оС. Наличие альбедо Земли (колонка А > 0) понижает температуру на 23 оС (до минус 18 оС), а парниковый эффект (колонка A > 0, р > 0 ) повышает температуру на 33 оС (до + 15 оС). На Венере эти изменения достигают сотен градусов.

Таким образом, приземная температура планеты, содержащей атмосферу, не определяется ее орбитальным положением.

 

1.2. Экологические  функции литосферы

 

Ученые считают, что энергетическая связь между глубокими частями земной коры и биосферой осуществляется не только за счет прямых процессов, таких, как вулканизм, складчатость, горообразование и др., но и за счет обратных процессов – посредством влияния подземных вод и осадочных отложений на гидротермальную деятельность и магматизм.

 В настоящее время установлено, что многие граниты образовались  за счет плавления осадочных  пород, а часть гидротермальных  сульфидов имеет осадочное происхождение. Поэтому земную кору следует рассматривать как динамическую систему, развивающуюся на основе механизма обратной связи. Примером может служить связь вулканизма с биосферой: вулканизм поставляет СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и образование карбонатов изымают СО2, связывают углерод в карбонатных и органических соединениях. В результате этого содержание СО2 в атмосфере и гидросфере уменьшается, система самостоятельно регулируется и стабилизируется.